آب خالص به باتری تبدیل می‌شود

آیا آب خالص می‌تواند انرژی الکتریکی را ذخیره کند؟ یک گروه پژوهشی به سرپرستی واسیلی آرتِموف در دانشگاه فناوری هامبورگ نشان داده‌اند که پاسخ به این پرسش مثبت است. این پژوهشگران با محبوس کردن آب در کانال‌هایی با ابعاد نانومتری در مواد معدنی رُسی، یک ابرخازن ساخته‌اند که می‌تواند بار الکتریکی را به ‌طور مؤثر ذخیره و منتقل کند.

به گزارش ایسنا، آنچه این یافته را غیرمعمول می‌کند، استفاده از آب خالص به ‌عنوان الکترولیت است؛ یعنی همان محیطی که بار الکتریکی را جابه‌جا می‌کند. امروزه باتری‌ها و ابرخازن‌ها معمولا به نمک‌ها، اسیدها یا سایر الکترولیت‌های شیمیایی افزوده‌شده متکی هستند. اما این سامانه جدید بدون چنین افزودنی‌هایی کار می‌کند و تنها بر پایه موادی فراوان و طبیعی شامل آب، خاک رس و کربن ساخته شده است.

به نقل از ناخ‌ریشتن، واسیلی آرتِموف، نویسنده اصلی این مقاله، می‌گوید: هدف ما توسعه فناوری‌های ذخیره‌سازی انرژی ایمن‌تر و پایدارتر است که به‌جای ترکیبات شیمیایی پیچیده، بر مواد فراوان و در دسترس متکی باشند. این دستگاه انرژی را با کارایی بالا ذخیره و آزاد می‌کند، برای یک سامانه مبتنی بر آب در ولتاژ نسبتا بالایی کار می‌کند و در طول ده‌ها هزار چرخه شارژ پایدار باقی می‌ماند.

آب در مقیاس نانو

این دستگاه جدید به دسته‌ای از فناوری‌های ذخیره انرژی موسوم به ابرخازن‌ها تعلق دارد. برخلاف باتری‌ها که انرژی را از طریق واکنش‌های شیمیایی ذخیره می‌کنند، ابرخازن‌ها انرژی را با جداسازی بارهای الکتریکی ذخیره می‌کنند. در نتیجه، آن‌ها می‌توانند بسیار سریع شارژ و تخلیه شوند و اغلب طول عمر بسیار بالایی دارند.

پژوهشگران سامانه خود را «خازن آبی» (Blue Capacitor) نامیده‌اند. راز این فناوری در کانال‌هایی نهفته است که تنها حدود یک نانومتر عرض دارند؛ یعنی تقریبا ۱۰۰ هزار بار نازک‌تر از یک تار موی انسان. درون این فضاهای فوق‌العاده کوچک، آب ویژگی‌هایی از خود نشان می‌دهد که در آب معمولی و حجیم دیده نمی‌شود و همین امر امکان جابه‌جایی مؤثر بار الکتریکی را فراهم می‌کند.

برای بهره‌گیری از این پدیده، پژوهشگران مواد معدنی رُسی را با گرافن که شکلی بسیار رسانا از کربن است، ترکیب کردند. این لایه‌ها در کنار هم میلیون‌ها کانال بسیار کوچک ایجاد می‌کنند که با آب پر می‌شوند.

آرتِموف می‌گوید: نتایج ما نشان می‌دهد که آب محبوس‌شده در مقیاس نانو می‌تواند به‌عنوان الکترولیت فعال در یک دستگاه عملی ذخیره‌سازی انرژی عمل کند.

پایدار و بادوام

در آزمایشگاه، خازن آبی عملکرد پایداری را در بیش از ۶۰ هزار چرخه شارژ و تخلیه حفظ کرد. این دستگاه همچنین در ولتاژهایی تا ۱٫۶ ولت کار کرد که برای یک سامانه ذخیره‌سازی انرژی مبتنی بر آب، مقدار نسبتا بالایی محسوب می‌شود.

پژوهشگران این موضوع را نشانه‌ای می‌دانند از اینکه می‌توان از ویژگی‌های منحصر به ‌فرد آب محبوس‌شده در مقیاس نانو برای کاربردهای عملی استفاده کرد.

کاربردهای بالقوه

این فناوری هنوز در مراحل اولیه توسعه قرار دارد و پیش از دستیابی به کاربردهای تجاری، به تحقیقات بیشتری نیاز خواهد بود. با این حال، پژوهشگران معتقدند این مفهوم می‌تواند مسیر عملی و امیدوارکننده‌ای برای فناوری‌های آینده ذخیره‌سازی انرژی فراهم کند.

از جمله کاربردهای احتمالی این فناوری در آینده می‌توان به ذخیره انرژی حاصل از منابع تجدیدپذیر مانند انرژی خورشیدی و بادی، پشتیبانی از شبکه‌های برق و تأمین انرژی دستگاه‌هایی اشاره کرد که به شارژ و تخلیه مکرر نیاز دارند.

فراتر از ذخیره‌سازی انرژی، این یافته‌ها می‌توانند الهام‌بخش توسعه فناوری‌های جدیدی باشند که از ویژگی‌های غیرمعمول آب در مقیاس نانو بهره می‌برند؛ از جمله حسگرهای پیشرفته، سامانه‌های الهام‌گرفته از زیست‌شناسی و رایانش نورومورفیک.

آرتِموف در پایان می‌گوید: پژوهش ما نشان می‌دهد که حتی ماده‌ای آشنا مانند آب نیز می‌تواند در مقیاس نانو ویژگی‌های غیرمنتظره‌ای از خود نشان دهد. با درک بهتر این ویژگی‌ها، شاید بتوانیم کاربردهای فناورانه کاملا جدیدی را توسعه دهیم.

*